活性粒子系统非平衡相变动力学的理论研究

The study of the collective dynamics of active particles has become one of the frontiers of many interdisciplinary fields ranging from chemistry to physics and life sciences. Many important processes taking place in surface, soft matter and life systems have significant relations with non equilibrium dynamics of active particles. In the present project, we will investigate several important issues involving the phase transition dynamics of active particles, including non-equilibrium glass transition, activity induced phase separation, and dynamic self-assembly. In particular, we will develop a non-equilibrium mode coupling theory suitable for the active particle system, and paying close attentions to the effects of particle activity, long range hydrodynamic interactions, as well confined space. We believe the study in this project can promote significantly the development of new theoretical methods and help unravel the underlying mechanisms of non-equilibrium phase transitions.

活性粒子系统（ active particle systems）统计动力学行为的研究，是化学、物理及生命等多学科交叉领域的前沿科学问题。表面、软物质、生命系统中的许多重要非平衡过程，都与活性粒子的动力学状态及其演化过程有重要关联。本项目拟发展和应用统计力学理论和模拟方法，研究活性粒子系统中若干重要的相变动力学问题：发展非平衡模耦合理论（Mode-Coupling Theory:MCT)，研究活性粒子系统的玻璃态相变；采用布朗动力学等粗粒化模拟方法，研究活性粒子的相分离动力学和动态自组装行为，考察粒子活性、流体力学作用、空间受限等重要因素的影响。本项目的研究，将对推动理论化学新方法的发展，探索非平衡玻璃态相变机制，理解活性体系相分离动力学规律、揭示动态自组装机理等，做出贡献。

本项目主要致力于发展有效的非平衡相变动力学理论，用以研究活性粒子玻璃态相变、相分离及活性自组装等群体动力学行为，理解活性粒子相变过程及软物质动态自组装机理等。项目执行期间，我们在活性粒子非平衡模耦合理论及玻璃态相变动力学，活性粒子相分离动力学，活性粒子的动态自组装等方面取得若干重要进展，共发表基金标注SCI论文20篇，培养博士生5人，硕士生3人。.1..非平衡模耦合理论的发展与活性粒子的非平衡玻璃态相变动力学.建立了一个描述非平衡体系玻璃化转变行为的模耦合理论框架，发现活性使得玻璃化转变的临界数密度向高密度的方向移动并为活性粒子的等效温度问题也提供的新的理解。该理论还进一步应用到非平衡高密度二元混合体系和活性浴中的rouse链扩散。.2..活性粒子相分离动力学.通过郎之万动力学计算，研究了一系列活性粒子相分离行为，发现各向异性相互作用会导致活性粒子相分离出现重入行为，环境结构和噪声可以促进活性粒子的手性分离，以及非均相成核对相分离的非单调影响。.3..活性粒子自组装动力学.采用格子波尔兹曼方法与郎之万动力学，研究了一系列活性粒子自组装行为，发现活性细胞可自发产生从无手性态到群体动力学手性的转变，有偏活性粒子可以产生有序手性动力学自组装结构，软核活性粒子能够形成具有自修复能力的低缺陷比有序结构等。